KR20030013996A - A positive active material for a lithium secondary battery and a lithium secondary battery comprising the same - Google Patents
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Abstract
Description
[산업상 이용 분야][Industrial use]
본 발명은 리튬 이차 전지용 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기 화학적 특성이 우수하고 제조비용이 저렴한 리튬 이차 전지용 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a positive electrode active material for a lithium secondary battery and a lithium secondary battery including the same, and more particularly, to a positive electrode active material for a lithium secondary battery having excellent electrochemical properties and low manufacturing cost, and a lithium secondary battery including the same.
[종래 기술][Prior art]
현재 상업화되어 사용 중인 리튬 이차 전지는 평균 방전 전위가 3.7V, 즉 4V대의 전지로서 3C라 일컬어지는 휴대용 전화, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등에 급속도로 적용되고 있는 디지털 시대의 심장에 해당하는 요소이다.Lithium secondary batteries, which are commercially available and currently used, correspond to the heart of the digital era, which is rapidly being applied to portable phones, notebook computers, camcorders, and the like, which have an average discharge potential of 3.7V, that is, 4C.
이러한 리튬 이차 전지의 양극 소재로는 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiNi1-xCoxO2, LiMnO2등의 복합산화물이 사용되고 있다. 이중 LiMn2O4,LiMnO2등의 Mn-계 전극 물질은 합성하기도 쉽고, 값이 비교적 싸며, 환경에 대한 오염도 적어 매력이 있는 물질이기는 하나, 용량이 작다는 단점이 있다. LiCoO2는 양호한 전기 전도도와 높은 전지 전압 그리고 우수한 전극 특성을 보이며, 현재 SONY사등에서 상업화되어 시판되고 있는 대표적인 양극물질이나, 가격이 비싸다는 단점이 있다. LiNiO2는 위에서 언급한 양극물질 중 가장 값이 싸며, 가장 높은 방전용량의 전지 특성을 나타내고 있으나 합성하기가 어려운 단점이 있다. 현재 전 세계에 유통되고 있는 전지의 95% 이상이 고가격의 LiCoO2를 사용하고 있으며, 이러한 LiCoO2를 대체하고자 하는 노력들이 많이 진행되고 있다.As a cathode material of such a lithium secondary battery, composite oxides such as LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiNiO 2 , LiNi 1-x Co x O 2 , and LiMnO 2 are used. Mn-based electrode materials such as LiMn 2 O 4 and LiMnO 2 are easy to synthesize, relatively inexpensive, and have a small capacity because they are attractive materials due to less pollution to the environment. LiCoO 2 exhibits good electrical conductivity, high battery voltage, and excellent electrode characteristics, and is a representative anode material that is currently commercialized and commercialized by SONY, but has a disadvantage of high price. LiNiO 2 is the lowest of the cathode materials mentioned above, and exhibits the highest discharge capacity of the battery, but has a disadvantage in that it is difficult to synthesize. At present, more than 95% of the batteries in circulation around the world use high-priced LiCoO 2 , and efforts to replace such LiCoO 2 are being made.
이러한 종래의 양극 활물질의 단점을 보완하는 대체물질 또는 방법으로는 대한 민국 특허 공개번호 제1999-049248호에는 리튬에 대하여 3V의 작동전압을 가지는 활물질(LiMnO2,Li2Mn4O9, Li4Mn5O12) 5 내지 15%와 리튬에 대하여 4V의 작동전압을 가지는 활물질(LiCoO2,LiNiO2,LiMn2O4) 82 내지 73%로 이루어진 양극 활물질이 기재되어 있다. 미국 특허 제5,429,890호에는 스피넬 타입의 LixMn2O4, LixNiO2,및 LixCoO2(0<x ≤2)중 적어도 하나의 물리적 혼합물로 구성되는 양극에 관하여 기재되어 있다. 미국 특허 제5,789,110호에는 스피넬 타입의 LixMn2O4(0<x ≤2)와 LiFeO3, αLiFe5O8, βLiFe5O8, LiFe3O4, LiFe2O3, Li1+wFe5O8(0<w<4), LiyV2O5(0<y<2), 및 LizFeV2O5(0<z<2)중 적어도 하나로 이루어진 혼합물로 구성되는 리튬 이차 전지에 관하여 기재되어 있다. 또한, 미국 특허 제5,561,007호에는 스피넬 타입의 LixMn2O4(0<x ≤2)와 αLiyMnO2(0≤y<1)의 혼합물로 구성된 리튬 이차 전지에 관하여 기재되어 있다.As an alternative material or method for supplementing the disadvantages of the conventional cathode active material, Korean Patent Publication No. 1999-049248 discloses an active material having an operating voltage of 3 V for lithium (LiMnO 2, Li 2 Mn 4 O 9 , Li 4). A cathode active material comprising active materials (LiCoO 2, LiNiO 2, LiMn 2 O 4 ) 82 to 73% having 5 to 15% of Mn 5 O 12 ) and 4 V to lithium is described. U. S. Patent 5,429, 890 describes a positive electrode composed of a physical mixture of at least one of spinel type Li x Mn 2 O 4 , Li x NiO 2, and Li x CoO 2 (0 <x ≦ 2). U.S. Patent No. 5,789,110 discloses spinel type Li x Mn 2 O 4 (0 <x ≤ 2) and LiFeO 3 , αLiFe 5 O 8 , βLiFe 5 O 8 , LiFe 3 O 4 , LiFe 2 O 3 , Li 1 + w Lithium secondary composed of a mixture of at least one of Fe 5 O 8 (0 <w <4), Li y V 2 O 5 (0 <y <2), and Li z FeV 2 O 5 (0 <z <2) The battery is described. U.S. Patent 5,561,007 also describes a lithium secondary battery composed of a mixture of spinel type Li x Mn 2 O 4 (0 <x ≤ 2) and αLi y MnO 2 (0 ≤ y <1).
그러나 이러한 방법들로 제조된 전지는 수명등 전기화학적 특성, 및 제조비용면에서 아직 만족할만한 수준에 이르지 못하고 있다.However, a battery manufactured by these methods has not yet reached a satisfactory level in terms of electrochemical properties such as lifetime and manufacturing cost.
본 발명의 목적은 전기화학적 특성과 열적 안정성이 우수할 뿐만 아니라 원가 절감효과를 가져올 수 있는 리튬 이차 전지용 양극 활물질을 제공하기 위한 것이다.An object of the present invention is to provide a cathode active material for a lithium secondary battery that can be excellent in electrochemical properties and thermal stability, as well as cost reduction effect.
본 발명의 다른 목적은 상기 양극 활물질을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공하기 위한 것이다.Another object of the present invention is to provide a lithium secondary battery including the positive electrode active material.
도 1은 비교예의 양극 활물질을 포함하는 극판의 XRD 패턴을 나타낸 도면.1 is a view showing an XRD pattern of the electrode plate containing a positive electrode active material of Comparative Example.
도 2a 내지 도 2e는 실시예 및 비교예의 양극 활물질을 포함하는 극판의 SEM 사진.2A to 2E are SEM images of the electrode plate including the positive electrode active material of Examples and Comparative Examples.
도 3은 비교예의 양극 활물질을 포함하는 코인 전지의 0.1C 충방전 특성을 나타낸 그래프.Figure 3 is a graph showing the 0.1C charge and discharge characteristics of the coin battery containing the positive electrode active material of the comparative example.
도 4는 실시예 및 비교예의 양극 활물질을 포함하는 코인 전지의 0.1C 충방전 특성을 나타낸 그래프.4 is a graph showing 0.1C charge / discharge characteristics of a coin battery including the cathode active materials of Examples and Comparative Examples.
도 5는 실시예 및 비교예의 양극 활물질을 포함하는 코인 전지의 C-rate 용량 특성을 나타낸 그래프.5 is a graph showing the C-rate capacity characteristics of the coin battery containing the positive electrode active material of the Examples and Comparative Examples.
도 6은 실시예 및 비교예의 양극 활물질을 포함하는 코인 전지의 4.3V 충전극판의 DSC 측정결과를 나타낸 도면.FIG. 6 is a diagram showing DSC measurement results of a 4.3V rechargeable electrode plate of a coin battery including the positive electrode active materials of Examples and Comparative Examples. FIG.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 a) 금속 옥사이드, 금속 하이드록사이드, 금속 옥시하이드록사이드, 금속 옥시카보네이트, 금속 하이드록시카보네이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 화합물을 포함하는 표면처리층이 형성된 리튬-코발트계 칼코게나이드 화합물; 및 b) 리튬-망간 칼코게나이드 화합물을 혼합하여 제조되는 양극 활물질을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention comprises a) at least one compound selected from the group consisting of metal oxides, metal hydroxides, metal oxyhydroxides, metal oxycarbonates, metal hydroxycarbonates and mixtures thereof. A lithium cobalt-based chalcogenide compound having a surface treatment layer formed thereon; And b) a positive electrode active material prepared by mixing a lithium-manganese chalcogenide compound.
본 발명은 또한, a) 금속 옥사이드, 금속 하이드록사이드, 금속 옥시하이드록사이드, 금속 옥시카보네이트, 금속 하이드록시카보네이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 화합물을 포함하는 표면처리층이 형성된 리튬-코발트계 칼코게나이드 화합물; 및 b) 리튬-망간 칼코게나이드 화합물의 혼합물을 양극 활물질로 사용한 리튬 이차 전지를 제공한다.The present invention also provides a surface treatment layer comprising at least one compound selected from the group consisting of a) metal oxides, metal hydroxides, metal oxyhydroxides, metal oxycarbonates, metal hydroxycarbonates and mixtures thereof. Formed lithium-cobalt-based chalcogenide compounds; And b) a lithium secondary battery using a mixture of a lithium-manganese chalcogenide compound as a positive electrode active material.
이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
본 발명의 리튬 이차 전지용 양극 활물질은 a) 금속 옥사이드, 금속 하이드록사이드, 금속 옥시하이드록사이드, 금속 옥시카보네이트, 금속 하이드록시카보네이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 화합물로 표면처리층이 형성된 리튬-코발트 칼코게나이드 화합물; 및 b) 리튬-망간 칼코게나이드 화합물을 혼합하여 제조한다.The cathode active material for a lithium secondary battery of the present invention is a) a surface treatment with at least one compound selected from the group consisting of metal oxides, metal hydroxides, metal oxyhydroxides, metal oxycarbonates, metal hydroxycarbonates and mixtures thereof. Layered lithium-cobalt chalcogenide compounds; And b) a lithium-manganese chalcogenide compound is prepared.
본 발명의 양극 활물질에서 상기 a) 금속 옥사이드, 금속 하이드록사이드, 금속 옥시하이드록사이드, 금속 옥시카보네이트, 금속 하이드록시카보네이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 화합물로 표면처리된 리튬-코발트 칼코게나이드 화합물과 b) 리튬-망간 칼코게나이드 화합물은 50~99.9 :50~0.1의 중량비로 혼합하는 것이 바람직하다.Lithium surface-treated with at least one compound selected from the group consisting of a) metal oxides, metal hydroxides, metal oxyhydroxides, metal oxycarbonates, metal hydroxycarbonates and mixtures thereof in the cathode active material of the present invention The cobalt chalcogenide compound and b) the lithium-manganese chalcogenide compound are preferably mixed at a weight ratio of 50 to 99.9: 50 to 0.1.
리튬-코발트 칼코게나이드 화합물과 b) 리튬-망간 칼코게나이드 화합물의 중량비에서 리튬-망간 칼코게나이드 화합물의 중량비가 0.1 미만일 경우에는 열적 안정성 향상에 전혀 기여하지 못하는 단점이 있으며, 50를 초과할 경우에는 전기화학적 특성인 충전, 방전용량의 저하가 심하게 나타나 전저 성능이 나빠진다는 단점이 있다.When the weight ratio of the lithium-manganese chalcogenide compound to the weight ratio of the lithium-cobalt chalcogenide compound and b) the lithium-manganese chalcogenide compound is less than 0.1, there is a disadvantage in that it does not contribute to improving the thermal stability at all. In this case, there is a disadvantage in that the charge and discharge capacity, which is an electrochemical characteristic, is severely deteriorated, resulting in deterioration of the electric charge performance.
본 발명에서 표면처리에 사용되는 리튬-코발트 칼코게나이드 화합물로는 하기 화학식 1 내지 4를 가지는 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 화합물이 바람직하게 사용될 수 있다.As the lithium-cobalt chalcogenide compound used for the surface treatment in the present invention, one or more compounds selected from the group consisting of compounds having the following Chemical Formulas 1 to 4 may be preferably used.
[화학식 1][Formula 1]
LixCoMyA2 Li x CoM y A 2
[화학식 2][Formula 2]
LixCoO2-zA2 Li x CoO 2-z A 2
[화학식 3][Formula 3]
LixCoyNi1-yO2-zAz Li x Co y Ni 1-y O 2-z A z
[화학식 4][Formula 4]
LixCoyNi1-y-zMzAa Li x Co y Ni 1-yz M z A a
(상기 식에서, 0.95 ≤x ≤1.1, 0 ≤y ≤0.5, 0 ≤z ≤0.5, 0 < a ≤2이고, M은 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, 및 희토류 원소로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 원소이고, A는 O, F, S, 및 P로 이루어진 군에서 선택되는 원소이다.)Where 0.95 ≦ x ≦ 1.1, 0 ≦ y ≦ 0.5, 0 ≦ z ≦ 0.5, 0 <a ≦ 2, M is Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, and At least one element selected from the group consisting of rare earth elements, and A is an element selected from the group consisting of O, F, S, and P.)
상기 리튬-코발트 칼코게이드 화합물의 표면처리층을 이루는 화합물은 금속 옥사이드, 금속 하이드록사이드, 금속 옥시하이드록사이드, 금속 옥시카보네이트, 금속 하이드록시카보네이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 화합물이다. 이들 화합물은 비정질 또는 결정일 수 있다. 상기 표면처리층에 포함되는 금속으로는 유기용매 또는 물에 용해되는 것이면 어느 것이나 사용가능하다. 이러한 금속으로는 Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, V, Sn, Ge, Ga, B, As, Zr 또는 이들의 혼합물이 바람직하게 사용될 수 있다.The compound forming the surface treatment layer of the lithium-cobalt chalcogenide compound is at least one selected from the group consisting of metal oxides, metal hydroxides, metal oxyhydroxides, metal oxycarbonates, metal hydroxycarbonates and mixtures thereof Compound. These compounds may be amorphous or crystalline. As the metal included in the surface treatment layer, any metal can be used as long as it is dissolved in an organic solvent or water. As such a metal, Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, V, Sn, Ge, Ga, B, As, Zr or a mixture thereof can be preferably used.
상기 리튬-망간 칼코게나이드 화합물로는 하기 화학식 5 내지 9로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 화합물이 바람직하게 사용될 수 있다.As the lithium-manganese chalcogenide compound, at least one compound selected from the group consisting of the following Chemical Formulas 5 to 9 may be preferably used.
[화학식 5][Formula 5]
LixMn1-yM'yA2 Li x Mn 1-y M ' y A 2
[화학식 6][Formula 6]
LixMn1-yM'yO2-zA2 Li x Mn 1-y M ' y O 2-z A 2
[화학식 7][Formula 7]
LixMn2O4-zAz Li x Mn 2 O 4-z A z
[화학식 8][Formula 8]
LixMn2-yM'yA4 Li x Mn 2-y M ' y A 4
[화학식 9][Formula 9]
LixMnyNi1-y-zM'zAa Li x Mn y Ni 1-yz M ' z A a
(상기 식에서, 0.95 ≤ x ≤1.1, 0 ≤y ≤0.5, 0≤z ≤0.5, 0 < a ≤2이고, M은 Ni 또는 Co이고, M'은 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, 및 희토류 원소로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 원소이고, A는 O, F, S 및 P로 이루어진 군에서 선택되는 원소이다.)Wherein 0.95 ≦ x ≦ 1.1, 0 ≦ y ≦ 0.5, 0 ≦ z ≦ 0.5, 0 <a ≦ 2, M is Ni or Co, and M ′ is Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe , Mg, Sr, V, and at least one element selected from the group consisting of rare earth elements, A is an element selected from the group consisting of O, F, S and P.)
표면처리층이 금속 옥사이드인 경우에는 리튬-코발트 칼코게나이드 화합물을 금속 유기 용액 또는 금속 수용액으로 코팅하고, 상기 코팅된 화합물을 열처리하는 공정을 거쳐 제조된다.When the surface treatment layer is a metal oxide, the lithium-cobalt chalcogenide compound is coated with a metal organic solution or an aqueous metal solution, and is manufactured through a process of heat-treating the coated compound.
표면처리층이 금속 하이드록사이드, 금속 옥시하이드록사이드, 금속 옥시카보네이트, 또는 금속 하이드록시카보네이트인 경우 리튬-코발트 칼코게나이드 화합물을 금속 유기 용액 또는 금속 수용액으로 코팅한 후 건조하는 공정에 의하여 제조된다. 즉 상기 금속 옥사이드 공정중 열처리 공정을 생략하여 제조되는 것이다.When the surface treatment layer is a metal hydroxide, a metal oxyhydroxide, a metal oxycarbonate, or a metal hydroxycarbonate, the lithium-cobalt chalcogenide compound is coated by a metal organic solution or a metal aqueous solution, followed by drying. do. That is, it is manufactured by omitting the heat treatment step of the metal oxide process.
본 발명에서 리튬-코발트 칼코게나이드 화합물의 코팅 용액으로 사용되는 금속 유기 용액 또는 금속 수용액은 다음과 같이 제조된다. 금속 유기 용액은 금속,금속 알콕사이드, 금속염, 금속 산화물 등을 유기 용매에 용해시켜 제조하거나, 이 혼합물을 환류시켜 제조할 수 있다. 금속 수용액은 금속염 또는 금속 산화물을 물에 용해시켜 제조하거나, 이 혼합물을 환류시켜 제조할 수 있다. 유기 용매 또는 물에 용해되는 적당한 금속의 형태는 이 분야의 통상의 지식에 의하여 선택될 수 있다. 예를 들어 보론을 포함하는 코팅 용액은 HB(OH)2, B203, H3BO3등을 유기 용매 또는 물에 용해시켜 제조할 수 있다.In the present invention, the metal organic solution or the metal aqueous solution used as the coating solution of the lithium-cobalt chalcogenide compound is prepared as follows. The metal organic solution may be prepared by dissolving a metal, a metal alkoxide, a metal salt, a metal oxide, or the like in an organic solvent, or by refluxing the mixture. The aqueous metal solution may be prepared by dissolving a metal salt or metal oxide in water, or by refluxing the mixture. Suitable forms of metals that are soluble in organic solvents or water may be selected by one of ordinary skill in the art. For example, the coating solution containing boron may be prepared by dissolving HB (OH) 2 , B 2 O 3 , H 3 BO 3 , and the like in an organic solvent or water.
상기 코팅 용액중 금속 유기 용액 제조시 사용가능한 유기 용매로는 메탄올, 에탄올 또는 이소프로판올과 같은 알코올, 헥산, 클로로포름, 테트라하이드로퓨란, 에테르, 메틸렌 클로라이드, 아세톤 등이 있다. 이러한 유기 용매 또한 금속의 용해도를 고려하여 용이하게 선택될 수 있다.Organic solvents usable in the preparation of metal organic solutions in the coating solution include alcohols such as methanol, ethanol or isopropanol, hexane, chloroform, tetrahydrofuran, ether, methylene chloride, acetone and the like. Such organic solvents can also be easily selected in view of the solubility of the metal.
상기 금속 유기 용액중 금속 메톡사이드, 금속 에톡사이드 또는 금속 이소프로폭사이드와 같은 금속 알콕사이드를 알코올에 용해시켜 제조한 금속 알콕사이드 용액이 본 발명에 바람직하게 사용될 수 있다. 이러한 금속 알콕사이드 용액중, Si 알콕사이드 용액으로는 Aldrich사에서 시판하는 테트라에틸오르토실리케이트(tetraethylorthosilicate) 용액 또는 실리케이트 에탄올에 용해시켜 제조한 테트라에틸오르토실리케이트 용액이 있다.The metal alkoxide solution prepared by dissolving a metal alkoxide such as metal methoxide, metal ethoxide or metal isopropoxide in the alcohol in the alcohol may be preferably used in the present invention. Among such metal alkoxide solutions, Si alkoxide solutions include tetraethylorthosilicate solutions available from Aldrich, or tetraethylorthosilicate solutions prepared by dissolving in silicate ethanol.
상기 코팅 용액중 금속 수용액 제조시 사용될 수 있는 금속염 또는 금속 산화물의 대표적인 예로는 암모늄 바나데이트(NH4(VO3))와 같은 바나듐산염, 바나듐 옥사이드(V2O5) 등이 있다.Representative examples of metal salts or metal oxides that may be used in preparing the metal aqueous solution in the coating solution include vanadate such as ammonium vanadate (NH 4 (VO 3 )), vanadium oxide (V 2 O 5 ), and the like.
금속 유기 용액 또는 금속 수용액 제조시 첨가되는 금속, 금속 알콕사이드, 금속염, 또는 금속 산화물의 양은 유기 용액 또는 수용액에 대하여 바람직하게는 0.1 내지 50 중량%이며, 더욱 바람직하게는 1 내지 30 중량%이다. 상기 금속, 금속 알콕사이드, 금속염 또는 금속 산화물의 농도가 0.1 중량%보다 낮으면 금속 유기 용액 또는 금속 수용액으로 리튬-코발트 칼코게나이드 화합물을 코팅하는 효과가 나타나지 않으며, 상기 금속, 금속 알콕사이드, 금속염, 또는 금속 산화물의 농도가 50 중량%를 초과하면 코팅층의 두께가 너무 두꺼워져 바람직하지 않다.The amount of the metal, metal alkoxide, metal salt, or metal oxide added in the preparation of the metal organic solution or the metal aqueous solution is preferably 0.1 to 50% by weight, more preferably 1 to 30% by weight relative to the organic solution or the aqueous solution. When the concentration of the metal, metal alkoxide, metal salt or metal oxide is lower than 0.1% by weight, there is no effect of coating the lithium-cobalt chalcogenide compound with a metal organic solution or an aqueous metal solution, and the metal, metal alkoxide, metal salt, or If the concentration of the metal oxide exceeds 50% by weight, the thickness of the coating layer is too thick, which is not preferable.
이와 같이 제조된 금속 유기 용액 또는 금속 수용액으로 리튬-코발트 칼코게나이드 화합물을 코팅(encapsulation)한다.The lithium cobalt chalcogenide compound is encapsulated with the metal organic solution or the metal aqueous solution thus prepared.
상기 코팅 방법으로는 스퍼터링법, CVD(Chemical Vapor Deposition)법, 딥 코팅(dip coating)법 등 일반적인 코팅 방법을 사용할 수 있다. 이러한 코팅 방법중에서 가장 간편한 방법은 단순히 양극 활물질 분말을 코팅 용액에 첨가하여 슬러리 상태로 만든 후, 용액을 제거하는 방법인 딥 코팅법이다.As the coating method, a general coating method such as sputtering, chemical vapor deposition (CVD), dip coating, or the like may be used. Among these coating methods, the simplest method is a dip coating method, which simply adds a positive electrode active material powder to a coating solution to make a slurry, and then removes the solution.
또한, 코팅 방법은 상술한 방법 이외에도, 슬러리 상태로 만든 후, 용액을 제거하는 공정과 추후 공정인 건조 공정을 동시에 실시할 수 있는 일원화 공정(one-shot process)을 실시할 수도 있으며, 이 방법은 공정이 간단함에 따라 경제적 이점이 있고, 표면처리층을 더 균일하게 형성할 수 있다.In addition to the above-described method, the coating method may be performed in a slurry state, and then may be subjected to a one-shot process in which a step of removing a solution and a subsequent drying step may be simultaneously performed. The simplicity of the process has economic advantages and allows the surface treatment layer to be formed more uniformly.
상기 일원화 공정에 대해 자세히 설명하면, 리튬-코발트 칼코게나이드 화합물과 금속 유기 용액 또는 금속 수용액을 혼합기에 투입하고 교반하면서, 이 혼합기의 온도를 증가시킨다. 이때 건조 속도를 증가시키기 위하여 블로잉(blowing)가스를 주입하는 것이 바람직하다. 상기 블로잉 가스로는 CO2나 수분이 없는 가스로서 질소 가스 또는 아르곤 가스 등의 비활성 가스가 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 블로잉 가스 대신에 진공상태를 유지함으로써 건조 속도를 증가시킬 수 있다.Detailed description of the unification process, while the lithium-cobalt chalcogenide compound and the metal organic solution or metal aqueous solution is added to the mixer and stirred, the temperature of the mixer is increased. At this time, it is preferable to inject a blowing gas to increase the drying speed. As the blowing gas, an inert gas such as nitrogen gas or argon gas may be preferably used as a gas having no CO 2 or moisture. The drying rate can be increased by maintaining a vacuum instead of the blowing gas.
상기 금속 유기 용액 또는 금속 수용액은 상기 리튬-코발트 칼코게나이드 화합물 표면에 코팅되면서, 과량의 금속 유기 용액 또는 금속 수용액은 외부 온도 증가 및 교반에 의하여 증발되어 제거된다. 따라서, 슬러리 제조 공정, 용액 제거 공정 및 건조 공정을 각각 실시할 필요없이, 하나의 혼합기에서 일원화된 공정으로 실시할 수 있다. 균일한 혼합을 위해서, 상기 리튬-코발트 칼코게나이드 화합물과 금속 유기 용액 또는 금속 수용액을 혼합기에 투입한 후, 약 10 내지 30분 동안 예비혼합(premixing)을 실시할 수도 있다.The metal organic solution or aqueous metal solution is coated on the surface of the lithium-cobalt chalcogenide compound, while the excess metal organic solution or aqueous metal solution is evaporated and removed by increasing external temperature and stirring. Therefore, the slurry production process, the solution removal process, and the drying process can be carried out in a unified process in one mixer. For uniform mixing, the lithium cobalt chalcogenide compound and the metal organic solution or the metal aqueous solution may be added to the mixer, followed by premixing for about 10 to 30 minutes.
상기 혼합기의 온도 증가는 용매인 유기 용매 또는 물이 증발될 수 있는 온도, 바람직하게는 50 내지 100℃의 가온수를 혼합기 외부로 순환시켜서 실시하며, 혼합기를 통과하여 냉각된 가온수는 일반적으로 열교환기를 통하여 다시 온도를 증가시켜 순환된다.The temperature increase of the mixer is carried out by circulating the hot water at which the organic solvent or water, which is a solvent, can be evaporated, preferably from 50 to 100 ° C., outside the mixer, and the hot water cooled through the mixer is generally heat exchanged. The temperature is circulated again by increasing the temperature.
상기 혼합기로는 리튬-코발트 칼코게나이드 화합물과 금속 유기 용액 또는 금속 수용액을 잘 혼합시킬 수 있고, 온도를 증가시킬 수 있으면 되며, 특별한 제약은 없다. 또한 블로잉 가스를 주입할 수 있으며, 진공 상태를 유지할 수 있는 것이 바람직하다. 대표적인 예로는 유성 혼합기(planetary mixer)를 사용할 수 있다.The mixer is capable of mixing the lithium cobalt chalcogenide compound and the metal organic solution or the metal aqueous solution well, and increasing the temperature, there is no particular limitation. In addition, it is preferable that the blowing gas can be injected and the vacuum state can be maintained. As a representative example, a planetary mixer may be used.
일반적인 코팅 공정을 실시할 경우에는, 금속 유기 용액 또는 금속 수용액이 코팅된 분말을 상온 내지 300℃ 미만의 온도에서 1 내지 24시간 동안 건조시키는 것이 바람직하다.When carrying out a general coating process, it is preferable to dry the metal organic solution or the powder coated with the metal aqueous solution for 1 to 24 hours at a temperature of less than 300 ℃.
일원화 코팅 공정을 실시할 경우에는, 상술한 바와 같이, 건조 공정이 코팅과 동시에 이루어지므로 별도로 건조 공정을 실시할 필요는 없다.When carrying out the unification coating process, as mentioned above, since a drying process is performed simultaneously with coating, it is not necessary to perform a drying process separately.
이러한 건조 공정에 따라, 표면에 형성된 금속 유기 용액 또는 금속 수용액층은 대기 중에 있는 수분과 반응하여 금속 하이드록사이드로 변환된다. 결과적으로 양극 활물질의 표면에 금속 하이드록사이드를 포함하는 표면처리층이 형성된다.According to this drying process, the metal organic solution or the metal aqueous solution layer formed on the surface reacts with moisture in the atmosphere and is converted into metal hydroxide. As a result, a surface treatment layer containing metal hydroxide is formed on the surface of the positive electrode active material.
이때 건조 공정을 변화시켜 상기 표면처리층이 금속 옥시하이드록사이드, 금속 옥시카보네이트, 또는 금속 하이드록시카보네이트를 포함하게 할 수 있다. 예를 들어 탄산가스 분위기에서 건조하면 금속 옥시카보네이트 또는 금속 하이드록시카보네이트를 포함하는 표면처리층을 형성할 수 있다. 또한 금속 하이드록사이드, 금속 옥시하이드록사이드, 금속 옥시카보네이트, 및 금속 하이드록시카보네이트 중에서 선택되는 2 이상의 혼합물을 포함할 수도 있다.In this case, the drying process may be changed to allow the surface treatment layer to include metal oxyhydroxide, metal oxycarbonate, or metal hydroxycarbonate. For example, drying in a carbon dioxide gas atmosphere can form a surface treatment layer containing a metal oxycarbonate or a metal hydroxycarbonate. It may also comprise a mixture of two or more selected from metal hydroxides, metal oxyhydroxides, metal oxycarbonates, and metal hydroxycarbonates.
상기 건조공정을 거치지 않고 금속 유기용액 또는 금속 수용액으로 일반적인 코팅 방법 또는 일원화 코팅 방법에 의해 코팅된 리튬-코발트 칼코게나이드 화합물을 열처리하면 표면에 금속 옥사이드가 형성된 리튬-코발트 칼코게나이드 화합물을 얻을 수 있다. 이러한 열처리 공정은 300 내지 900℃에서 1 내지 20시간 실시하는 것이 바람직하고, 300 내지 800℃로 1 내지 12시간 실시하는 것이 더 바람직하다. 이러한 열처리 공정을 거친 후에 로내에서 서냉 공정을 실시할 수도 있고 상온으로급속히 냉각시키는 급냉 공정을 실시할 수도 있다. 급냉공정을 실시할 경우 0.5℃/min 이상의 냉각 속도로 실시하는 것이 바람직하다.When the lithium-cobalt chalcogenide compound coated by a general coating method or a unified coating method with a metal organic solution or an aqueous metal solution without undergoing the drying process, a lithium-cobalt chalcogenide compound having a metal oxide formed on its surface can be obtained. have. Such a heat treatment step is preferably performed at 300 to 900 ° C. for 1 to 20 hours, more preferably at 300 to 800 ° C. for 1 to 12 hours. After such a heat treatment step, a slow cooling step may be performed in the furnace, or a quenching step of rapidly cooling to room temperature may be performed. When performing a quenching step, it is preferable to perform at a cooling rate of 0.5 ° C / min or more.
본 발명에서 리튬-코발트 칼코게나이드 화합물의 표면처리층의 두께는 1 내지 100㎚인 것이 바람직하며, 1 내지 50㎚인 것이 더 바람직하다. 표면에 형성된 표면처리층의 두께가 1㎚ 미만이면, 표면처리에 따른 효과가 미미하며, 두께가 100㎚를 초과하면. 코팅층의 두께가 너무 두꺼워 바람직하지 않다.In the present invention, the thickness of the surface treatment layer of the lithium-cobalt chalcogenide compound is preferably 1 to 100 nm, more preferably 1 to 50 nm. When the thickness of the surface treatment layer formed on the surface is less than 1 nm, the effect of the surface treatment is insignificant, and when the thickness exceeds 100 nm. The thickness of the coating layer is too thick, which is undesirable.
본 발명의 리튬-코발트 칼코게나이드 화합물의 표면처리층 내의 금속의 함량은 양극 활물질에 대하여 2x10-5내지 1 중량%인 것이 바람직하고, 0.001 내지 1 중량%인 것이 더 바람직하다.The content of the metal in the surface treatment layer of the lithium-cobalt chalcogenide compound of the present invention is preferably 2x10 -5 to 1% by weight, and more preferably 0.001 to 1% by weight based on the positive electrode active material.
본 발명에서와 같이 표면에 금속 옥사이드, 금속 하이드록사이드, 금속 옥시 하이드록사이드, 금속 옥시카보네이트, 및 금속 하이드록시카보네이트 또는 이들의 혼합물이 형성된 리튬-코발트 칼코게나이드 화합물은 기존의 리튬-코발트 칼코게나이드 화합물에 비하여 내부저항을 작게 할 수 있어 방전 전위의 전하를 적게 하여 전류밀도(C-rate) 변화에 따른 높은 방전 전위 특성을 유지한다. 이러한 표면 특성이 개선된 양극 활물질을 전지에 적용할 경우, 보다 우수한 수명특성과 방전 전위 저하 특성이 나타나 전력량(power) 향상 특성을 나타낸다.Lithium-cobalt chalcogenide compounds having metal oxides, metal hydroxides, metal oxy hydroxides, metal oxycarbonates, and metal hydroxycarbonates or mixtures thereof formed on the surface as in the present invention are conventional lithium-cobalt cal Compared with cogenide compound, internal resistance can be made small, and the electric charge of the discharge potential is reduced to maintain high discharge potential characteristics according to the change of current density (C-rate). When the positive electrode active material having such improved surface characteristics is applied to a battery, better life characteristics and lowering discharge potentials are exhibited, thereby showing power improvement characteristics.
본 발명의 양극 활물질은 상기와 같은 표면처리 공정에 의해 제조된 전기화학적 특성이 우수한 리튬-코발트 칼코게나이드 화합물과 열적 안정성이 우수한 리튬-망간 칼코게나이드 화합물을 혼합하여 제조된다.The cathode active material of the present invention is prepared by mixing a lithium-cobalt chalcogenide compound having excellent electrochemical properties and a lithium-manganese chalcogenide compound having excellent thermal stability prepared by the surface treatment process as described above.
본 발명의 표면처리층이 형성된 양극 활물질은 그대로 전지의 양극 활물질로 사용될 수도 있고 원하는 평균 입경을 얻기 위하여 분급(sieving)하여 사용할 수도 있다. 분급하지 않는 경우에는 표면에 형성된 물질과 동일한 분말 형태의 물질이 제거되지 않고 양극 활물질 슬러리 내에 그대로 존재하게 된다. 본 발명자는 이러한 표면처리층과 동일한 물질인 금속 옥사이드, 금속 하이드록사이드, 금속 옥시하이드록사이드, 금속 옥시카보네이트, 금속 하이드록시카보네이트 또는 이들중 2 이상의 혼합물의 분말이 활물질 슬러리 내에 존재함으로써 활물질의 열적 안정성을 더 향상시킬 수 있음을 알았다.The positive electrode active material in which the surface treatment layer of the present invention is formed may be used as a positive electrode active material of a battery as it is, or may be used by sieving to obtain a desired average particle diameter. In the case of not classifying, the same powdery material as the material formed on the surface is not removed and remains in the cathode active material slurry. The inventors have found that the powders of metal oxides, metal hydroxides, metal oxyhydroxides, metal oxycarbonates, metal hydroxycarbonates or mixtures of two or more thereof, which are the same materials as the surface treatment layer, are present in the active material slurry to thermally It was found that the stability can be further improved.
일반적으로 리튬 이차 전지의 안정성(safety) 평가방법중 대표적인 것으로 충전 상태에서 못으로 관통시키는 실험이 가장 중요한 안전성 실험 중의 하나로 알려져 있다. 이때 충전된 전지의 안전성에 영향을 미치는 인자로서 여러 가지가 있는데, 특히 충전된 양극과 이 극판에 함침되어 있는 전해액의 반응에 의한 발열 반응이 중요한 역할을 한다.In general, as a representative method of evaluating the safety of lithium secondary batteries, an experiment to penetrate into a nail in a charged state is known as one of the most important safety experiments. At this time, there are a number of factors affecting the safety of the charged battery, in particular, the exothermic reaction by the reaction of the charged positive electrode and the electrolyte impregnated in the electrode plate plays an important role.
예를 들어 LiCoO2활물질을 포함하는 코인 전지를 일정 전위로 충전하면 LiCoO2는 Li1-xCoO2의 구조를 가지는데, 이 충전 상태의 물질에 대한 DSC(Differential Scanning Calorimetry) 측정을 통하여 나타나는 발열 온도와 발열량 및 발열 커브의 결과를 바탕으로 활물질의 열적 안정성을 판단할 수 있다. 충전 상태의 Li1-xCoO2활물질은 불안정하기 때문에 전지 내부의 온도가 높아지면 금속, 즉 코발트와 결합되어 있는 산소가 금속으로부터 유리된다. 유리된 산소는 전지 내부에서 전해액과 반응하여 전지가 폭발할 수 있는 가능성을 제공한다. 그러므로 산소 분해 온도(발열 온도)와 이때의 발열량은 전지의 안정성을 나타내는 중요한 인자라 할 수 있다.For example, when a coin battery containing a LiCoO 2 active material is charged at a constant potential, LiCoO 2 has a structure of Li 1-x CoO 2 , which generates heat generated by differential scanning calorimetry (DSC) measurement of the charged state material. The thermal stability of the active material can be determined based on the result of the temperature, the calorific value and the exothermic curve. Since the Li 1-x CoO 2 active material in the charged state is unstable, when the temperature inside the battery increases, oxygen, which is bonded with cobalt, is released from the metal. The free oxygen reacts with the electrolyte solution inside the cell, giving the cell the possibility of exploding. Therefore, the oxygen decomposition temperature (exothermic temperature) and the calorific value at this time may be an important factor indicating the stability of the battery.
본 발명의 양극 활물질에 사용되는 리튬-코발트 칼코게나이드 화합물은 종래의 리튬-코발트 칼코게나이드 화합물에 비하여 낮은 발열온도를 가지며, 발열량도 훨씬 감소되어 우수한 열적 안정성을 나타낸다. 본 발명에서는 이러한 열적 안정성이 우수한 표면처리된 리튬-코발트 칼코게나이드 화합물에 리튬-망간 칼코게나이드 화합물을 첨가함으로써 보다 더 열적 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한 고가의 리튬-코발트 칼코게나이드 화합물을 저가의 리튬-망간 칼코게나이드 화합물로 일부 대체하는 효과가 있어 전지 제조 비용을 절감할 수 있다.The lithium-cobalt chalcogenide compound used in the positive electrode active material of the present invention has a lower exothermic temperature than the conventional lithium-cobalt chalcogenide compound, and the calorific value is further reduced to show excellent thermal stability. In the present invention, the thermal stability may be further improved by adding the lithium-manganese chalcogenide compound to the surface-treated lithium-cobalt chalcogenide compound having excellent thermal stability. In addition, it is possible to reduce the manufacturing cost of the battery by replacing the expensive lithium-cobalt chalcogenide compound with a low-cost lithium-manganese chalcogenide compound.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예 일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples and comparative examples of the present invention are described. However, the following examples are only preferred embodiments of the present invention and the present invention is not limited to the following examples.
(실시예 1)(Example 1)
Al-이소프로폭사이드 분말 1g을 에탄올 99g에 분산시켜, 이 혼합물을 약 5시간 교반하여 1중량% 농도의 Al-이소프로폭사이드 용액을 제조하였다. 이 코팅 용액에 10㎛의 평균 입경을 가지는 LiCoO2를 넣은 후 딥 코팅법을 사용하여 코팅을 하였다. 이와 같이 제조된 Al-이소프로폭사이드로 코팅된 분말을 500℃에서 약 10시간동안 열처리하여 LiCoO2분말의 표면에 Co-Al-O로 이루어진 복합 금속 옥사이드층과 Al2O3가 형성되어 표면 특성 및 형상이 변화된 LiCoO2분말을 제조하였다. 상기와 같이 제조된 LiCoO2분말과 평균 입경이 10㎛인 LiMn2O4분말을 93:1의 중량비로 혼합하여 양극 활물질을 제조하고 활물질/바인더/도전제의 비율을 94/3/3으로 하여 NMP 용매에 녹인 후 슬러리를 제조하였다.1 g of Al-isopropoxide powder was dispersed in 99 g of ethanol, and the mixture was stirred for about 5 hours to prepare an Al-isopropoxide solution at a concentration of 1% by weight. LiCoO 2 having an average particle diameter of 10 μm was added to the coating solution, followed by coating using the dip coating method. The Al-isopropoxide-coated powder prepared as described above was heat-treated at 500 ° C. for about 10 hours to form a composite metal oxide layer made of Co-Al-O and Al 2 O 3 on the surface of the LiCoO 2 powder. LiCoO 2 powders were prepared in which properties and shapes were changed. The LiCoO 2 powder prepared as described above and the LiMn 2 O 4 powder having an average particle diameter of 10 μm were mixed at a weight ratio of 93: 1 to prepare a positive electrode active material, and the ratio of the active material / binder / conductor was 94/3/3. After dissolving in NMP solvent to prepare a slurry.
25㎛ 두께의 Al-포일 위에 상기 슬러리를 100㎛ 두께로 코팅하고, 지름이 1.6㎝인 원형으로 잘라 코인 전지용 양극 극판을 제조하였다. 이 양극 극판과 1M LiPF6가 용해된 에틸렌 카보네이트(EC)와 디메틸 카보네이트(DMC)의 혼합 용액(1/1 부피비)을 전해액으로 사용하고, 리튬 금속을 대극으로 사용하여 글로브 박스 내에서 2016 타입의 코인 전지를 제조하였다.The slurry was coated to a thickness of 100 μm on an Al-foil having a thickness of 25 μm, and cut into a circle having a diameter of 1.6 cm to prepare a positive electrode plate for a coin battery. This positive electrode plate and a mixed solution (1/1 volume ratio) of ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) in which 1M LiPF 6 was dissolved were used as an electrolyte, and lithium metal was used as a counter electrode. Coin cells were prepared.
(실시예 2)(Example 2)
양극 활물질로 실시예 1의 표면처리된 LiCoO2분말과 평균 입경이 10㎛인 LiMn2O4분말을 89:5의 중량비로 첨가한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 실시하였다.As a positive electrode active material, the surface-treated LiCoO 2 powder of Example 1 and a LiMn 2 O 4 powder having an average particle diameter of 10 μm were added in the same ratio as in Example 1, except that the weight ratio was 89: 5.
(실시예 3)(Example 3)
양극 활물질로 실시예 1의 표면처리된 LiCoO2분말과 평균 입경이 10㎛인 LiMn2O4분말을 84:10의 중량비로 첨가한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 실시하였다.As a positive electrode active material, the surface-treated LiCoO 2 powder of Example 1 and a LiMn 2 O 4 powder having an average particle diameter of 10 μm were added in the same ratio as in Example 1 except that a weight ratio of 84:10 was added.
(실시예 4)(Example 4)
양극 활물질로 실시예 1의 표면처리된 LiCoO2분말과 평균 입경이 10㎛인 LiMn2O4분말을 74:20의 중량비로 첨가한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 실시하였다.As a positive electrode active material, the surface-treated LiCoO 2 powder of Example 1 and a LiMn 2 O 4 powder having an average particle diameter of 10 μm were added in the same ratio as in Example 1 except that a weight ratio of 74:20 was added.
(실시예 5)(Example 5)
양극 활물질로 실시예 1의 표면처리된 LiCoO2분말과 평균 입경이 10㎛인 LiMn2O4분말을 64:30의 중량비로 첨가한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 실시하였다.As a positive electrode active material, the surface-treated LiCoO 2 powder of Example 1 and the LiMn 2 O 4 powder having an average particle diameter of 10 μm were added in the same ratio as in Example 1 except that a weight ratio of 64:30 was added.
(실시예 6)(Example 6)
Al-이소프로폭사이드 분말 5g을 에탄올 95g에 분산시켜 5중량% 농도의 Al-이소프로폭사이드 코팅 용액을 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.5 g of Al-isopropoxide powder was dispersed in 95 g of ethanol, except that 5 wt% Al-isopropoxide coating solution was prepared.
(실시예 7)(Example 7)
Al-이소프로폭사이드로 분말 1g을 에탄올 99g에 분산시켜 이 혼합물을 약 5시간 교반하여 1 중량%의 Al-이소프로폭사이드 용액을 제조하였다. 이 코팅 용액에 10㎛의 평균 입경을 가지는 LiCoO2를 넣어 코팅하였다. Al-이소프로폭사이드로 코팅된 분말을 100℃에서 약 10시간 건조시켜 표면에 Al(OH)3층이 형성된 LiCoO2분말을 제조하였다. 양극 활물질로 표면에 Al(OH)3가 형성된 LiCoO2분말과 LiMn2O4분말을 93:1의 중량비로 혼합하여 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 실시하였다.1 g of powder was dispersed in 99 g of ethanol with Al-isopropoxide, and the mixture was stirred for about 5 hours to prepare a 1% by weight Al-isopropoxide solution. LiCoO 2 having an average particle diameter of 10 μm was added to the coating solution for coating. The powder coated with Al-isopropoxide was dried at 100 ° C. for about 10 hours to prepare a LiCoO 2 powder having an Al (OH) 3 layer formed on its surface. It was carried out in the same manner as in Example 1 except that LiCoO 2 powder and LiMn 2 O 4 powder having Al (OH) 3 formed on the surface thereof were mixed with a positive electrode active material at a weight ratio of 93: 1.
(실시예 8)(Example 8)
코팅 용액으로 5 중량%의 Al-이소프로폭사이드 용액을 사용한 것을 제외하고 실시예 7과 동일하게 실시하였다.The coating solution was carried out in the same manner as in Example 7, except that 5% by weight of Al-isopropoxide solution was used.
(비교예 1)(Comparative Example 1)
실시예 1에서 제조된 표면처리된 LiCoO2분말만을 양극 활물질로 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 실시하였다.Except for using the surface-treated LiCoO 2 powder prepared in Example 1 as the positive electrode active material was carried out in the same manner as in Example 1.
(비교예 2)(Comparative Example 2)
평균 입경이 10㎛인 LiCoO2분말만을 양극 활물질로 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 실시하였다., Which it was carried out in the same manner as in Example 1, except that the average particle diameter is used only 10㎛ of LiCoO 2 powder as a positive electrode active material.
(비교예 3)(Comparative Example 3)
평균 입경이 10㎛인 LiCoO2분말과 평균 입경이 10㎛인 LiMn2O4분말의 비가 93:1인 혼합물을 양극 활물질로 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 실시하였다.The same procedure as in Example 1 was carried out except that a mixture having a ratio of LiCoO 2 powder having an average particle diameter of 10 μm and a LiMn 2 O 4 powder having an average particle diameter of 93: 1 was used as the positive electrode active material.
(비교예 4)(Comparative Example 4)
평균 입경이 10㎛인 LiCoO2분말과 평균 입경이 10㎛인 LiMn2O4분말의 비가 89:5인 혼합물을 양극 활물질로 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 실시하였다.The average particle diameter of 10㎛ of LiCoO 2 powder with an average particle diameter of 10㎛ of LiMn 2 O 4 powder ratio is 89: 5, except for using a mixture as a positive electrode active material, which was carried out in the same manner as in Example 1.
(비교예 5)(Comparative Example 5)
평균 입경이 10㎛인 LiCoO2분말과 평균 입경이 10㎛인 LiMn2O4분말의 비가 84:10인 혼합물을 양극 활물질로 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 실시하였다.The same procedure as in Example 1 was carried out except that a mixture having a ratio of 84:10 of LiCoO 2 powder having an average particle diameter of 10 μm and a LiMn 2 O 4 powder having an average particle size of 10 μm was used as the positive electrode active material.
XRD 패턴XRD Pattern
비교예 2, 4 및 5의 양극 활물질로 제조된 극판에 대하여 XRD 패턴을 조사하여 그 결과를 도 1에 도시하였다. 도 1에서 a, b 및 c는 차례로 비교예 2, 4 및 5에 따라 제조된 극판의 XRD 패턴이다. 도 1에 나타난 바와 같이 LiCoO2에 LiMn2O4를 첨가하여 제조한 비교예 4와 5의 극판은 LiMn2O4에서 볼 수 있는 스피넬 Fd3m 피크를 나타냄을 확인할 수 있었다.XRD patterns of the electrode plates made of the cathode active materials of Comparative Examples 2, 4, and 5 were examined, and the results are shown in FIG. 1. In Figure 1 a, b and c in turn are XRD patterns of the electrode plate prepared according to Comparative Examples 2, 4 and 5. As shown in FIG. 1, the electrode plates of Comparative Examples 4 and 5 prepared by adding LiMn 2 O 4 to LiCoO 2 showed a spinel Fd3m peak found in LiMn 2 O 4 .
SEM 사진 비교SEM photo comparison
실시예 및 비교예의 양극 활물질을 포함하는 극판의 표면 형상의 차이를 SEM사진으로 확인하였다. 도 2a, 도 2b, 도 2c, 도 2d 및 도 2e는 차례로 비교예 1, 2, 4, 5 및 실시예 3에 따라 제조된 극판의 SEM 사진이다.The difference of the surface shape of the electrode plate containing the positive electrode active material of an Example and a comparative example was confirmed by SEM photograph. 2A, 2B, 2C, 2D and 2E are in turn SEM images of electrode plates prepared according to Comparative Examples 1, 2, 4, 5 and Example 3. FIG.
충방전 특성 평가Charge / discharge characteristic evaluation
실시예 및 비교예에 따라 제조된 2016 타입의 코인 전지를 4.3 내지 2.75V 사이에서 0.1C로 충방전을 실시하여 그 결과를 도 3과 도 4에 나타내었다. 도 3에서 a, b, c, 및 d는 차례로 비교예 3, 4, 2 및 5에 따라 제조된 코인 전지의 충방전 특성을 보인 것이다. 도 4에서 a, b 및 c는 차례로 비교예 1, 실시예 2 및 실시예 3에 따라 제조된 코인 전지의 충방전 특성을 보인 것이다.Charge and discharge of the 2016 type coin cell manufactured according to the Examples and Comparative Examples at 0.1C between 4.3 and 2.75V is shown in Figures 3 and 4. In FIG. 3, a, b, c, and d sequentially show charge and discharge characteristics of the coin batteries prepared according to Comparative Examples 3, 4, 2, and 5. In Figure 4 a, b and c in turn shows the charge and discharge characteristics of the coin battery prepared according to Comparative Example 1, Example 2 and Example 3.
도 3과 도 4에 나타난 바와 같이 실시예 및 비교예에 따라 제조된 코인 전지의 저율(0.1C)에서의 충방전 특성에 큰 차이가 없음을 알 수 있다.As shown in FIG. 3 and FIG. 4, it can be seen that there is no significant difference in charge and discharge characteristics at a low rate (0.1C) of the coin batteries manufactured according to the examples and the comparative examples.
그러나 고율(1C)로 갈수록 본 발명의 실시예에 따른 전지의 충방전 특성이 더 우수함을 알 수 있었다. 실시예 및 비교예의 코인 전지에 대하여 C rate를 변화시키면서 용량을 측정하여 도 5에 도시하였다. 도 5에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전지의 용량특성이 비교예에 비하여 훨씬 우수함을 알 수 있다.However, it was found that the charging and discharging characteristics of the battery according to the embodiment of the present invention are more excellent at higher rates (1C). The capacity of the coin cells of Examples and Comparative Examples was measured while varying the C rate, and is shown in FIG. 5. As shown in Figure 5, it can be seen that the capacity characteristics of the battery according to the embodiment of the present invention is much superior to the comparative example.
열적 안정성 평가Thermal stability evaluation
실시예 및 비교예에 따라 제조된 양극 활물질의 열적 안정성을 다음과 같은 방법으로 평가하였다. 실시예 및 비교예의 코인 전지를 4.3V로 충전한 다음 건조실에서 해체하여 극판을 분리하였다. 분리된 극판에서 Al-포일 위에 도포되어 있던 활물질만을 약 10㎎ 정도 채취하여 910 DSC (TA instrument사 제품)을 이용하여 열적안정성을 평가하였다. DSC 분석은 공기 분위기하에서 25 내지 300℃ 사이의 온도범위에서 3℃/min의 승온 속도로 스캐닝하여 실시하였다. DSC 결과는 도 6에 나타내었다.The thermal stability of the positive electrode active material prepared according to Examples and Comparative Examples was evaluated by the following method. The coin cells of Examples and Comparative Examples were charged to 4.3 V and then disassembled in a drying chamber to separate the electrode plates. Only about 10 mg of the active material coated on the Al-foil was collected from the separated electrode plate, and thermal stability was evaluated using a 910 DSC (manufactured by TA instrument). DSC analysis was performed by scanning at an elevated rate of 3 ° C./min in a temperature range of 25 to 300 ° C. under air atmosphere. DSC results are shown in FIG. 6.
도 6에서 a, b 및 c는 차례로 실시예 2, 3 및 비교예 1에 따라 제조된 양극 활물질의 DSC 서모그램을 나타낸다. 도 6에 나타난 바와 같이, 본 발명의 비교예 1의 LiCoO2는 약 190 내지 220℃의 범위에서 큰 발열 피크를 나타내었다. 충전상태의 LiCoO2활물질은 Li1-xCoO2의 구조를 가지는데, 이 Li1-xCoO2의 Co-O의 결합이 약해져서 분해되어 O2가 발생한다. 상기 발열 피크는 Co-O 결합이 분해되어 나오는 O2가 전해액과 반응하여 큰 발열을 일으키는 것에 기인한 것이다. 발열 피크가 크다는 것은 전지의 안정성이 낮다는 것을 의미한다. 그러나 본 발명의 표면처리된 LiCoO2와 LiMn2O4를 혼합한 양극 활물질인 실시예 2와 3의 활물질은 발열 피크가 비교예 1의 발열 피크보다 높은 온도인 240℃ 근처로 위치이동(shift)됨을 확인할 수 있다. 이것은 실시예 2와 3의 양극 활물질의 열적 안정성이 우수하다는 사실을 보여주는 것이다. 이와 같은 결과로부터, 본 발명의 표면처리된 LiCoO2와 LiMn2O4를 혼합한 양극 활물질이 종래의 양극 활물질에 비하여 열적 안정성이 우수함을 알 수 있다.In Figure 6 a, b and c in turn shows the DSC thermogram of the positive electrode active material prepared according to Examples 2, 3 and Comparative Example 1. As shown in Figure 6, LiCoO 2 of Comparative Example 1 of the present invention exhibited a large exothermic peak in the range of about 190 to 220 ℃. LiCoO 2 active material in the charged state was I of the structure of the Li 1-x CoO 2, decomposes the combination of CoO of the Li 1-x CoO 2 causes a weak O 2. The exothermic peak is caused by O 2 from which the Co—O bond is decomposed to react with the electrolyte to generate a large exotherm. A large exothermic peak means that the stability of the battery is low. However, the active materials of Examples 2 and 3, which are cathode active materials mixed with surface-treated LiCoO 2 and LiMn 2 O 4 of the present invention, shifted to a temperature near 240 ° C. at which an exothermic peak is higher than an exothermic peak of Comparative Example 1. It can be confirmed. This shows that the thermal stability of the positive electrode active material of Examples 2 and 3 is excellent. From these results, it can be seen that the positive electrode active material in which the surface-treated LiCoO 2 and LiMn 2 O 4 of the present invention are mixed has superior thermal stability than the conventional positive electrode active material.
상술한 바와 같이, 본 발명은 금속이 코팅된 리튬-코발트 칼코게나이드 화합물과 리튬-망간 칼코게나이드 화합물의 혼합물로 제조된 리튬 이차 전지용 양극 활물질로서 리튬-코발트 칼코게나이드 화합물에 저가격이며 열적 안정성이 우수한 리튬-망간 칼코게나이드 화합물을 첨가하여 복합 양극 활물질 극판을 제조하면 수명 특성이 우수하고, 리튬-망간 칼코게나이드 화합물을 첨가하여 전지를 제조할 경우 고가의 리튬-코발트 칼코게나이드 화합물을 사용한 경우에 비하여 스피넬 타입의 리튬-망간 칼코게나이드 화합물이 가지고 있는 고율 특성 및 열적 안정성 특성이 반영되어 열적으로 안정하고 첨가된 리튬-망간 칼코게나이드 화합물의 양 만큼 원가절감의 효과를 가져온다.As described above, the present invention is a cathode active material for a lithium secondary battery made of a mixture of a metal-coated lithium-cobalt chalcogenide compound and a lithium-manganese chalcogenide compound and is inexpensive and thermally stable to a lithium-cobalt chalcogenide compound. When the composite positive electrode active material electrode plate is prepared by adding the excellent lithium-manganese chalcogenide compound, the life characteristics are excellent, and when the battery is manufactured by adding the lithium-manganese chalcogenide compound, an expensive lithium-cobalt chalcogenide compound is used. Compared to the case of use, the spinel type lithium-manganese chalcogenide compound possesses high rate characteristics and thermal stability characteristics, resulting in thermally stable and cost-effective effects by the amount of the added lithium-manganese chalcogenide compound.
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